光纖通信技術(shù)第四節(jié)ppt課件

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光纖通信技術(shù)第四章,激光器及光發(fā)射機(jī),1,2,第四章 激光器及光發(fā)射機(jī),4.1 半導(dǎo)體激光器 4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LD 4.1.2 分布反饋激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL 4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性 4.3 光發(fā)射機(jī),3,4.1 半導(dǎo)體激光器LD,激光器被視為20世紀(jì)的三大發(fā)明（還有半導(dǎo)體和原子能）之一，特別是半導(dǎo)體激光器LD倍受重視。 光纖通信中最常用的光源是半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED。 主要差別： 發(fā)光二極管輸出非相干光； 半導(dǎo)體激光器輸出相干光。,4,發(fā)光二極管LED,對(duì)于光纖通信系統(tǒng)，如果使用多模光纖且信息比特率在100～200Mb/s以下，同時(shí)只要求幾十微瓦的輸入光功率，那么LED是可選用的最佳光源。 比起半導(dǎo)體激光器，因?yàn)長(zhǎng)ED不需要熱穩(wěn)定和光穩(wěn)定電路，所以LED的驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，另外其制作成本低、產(chǎn)量高。,5,發(fā)光二極管LED,LED的主要工作原理對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程，因而是一種非相干光源。 LED發(fā)射光的譜線較寬、方向性較差，本身的響應(yīng)速度又較慢，所以只適用于速率較低的通信系統(tǒng)。 在高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)體激光器作光源。,6,半導(dǎo)體激光器LD,半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，耦合效率高，響應(yīng)速度快，波長(zhǎng)和尺寸與光纖尺寸適配，可直接調(diào)制，相干性好。 按結(jié)構(gòu)分類(lèi)： F-P LD、 DFB LD、 DBR LD、 QW LD、 VCSEL 按波導(dǎo)機(jī)制分類(lèi)：增益導(dǎo)引LD和折射率導(dǎo)引LD 按性能分類(lèi)：低閾值LD、超高速LD、動(dòng)態(tài)單模LD、大功率LD,7,4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LD,F-P LD是最常見(jiàn)最普通的LD. 由外延生長(zhǎng)的有源層和有源層兩邊的限制層構(gòu)成，諧振腔由晶體的兩個(gè)解理面構(gòu)成。通常為雙異質(zhì)結(jié)（DH）LD。 激光器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受激發(fā)射的光振蕩放大器。,8,F-P LD基本工作原理,實(shí)現(xiàn)F-P LD激射工作的四個(gè)基本條件： 要有能實(shí)現(xiàn)電子和光場(chǎng)相互作用的工作物質(zhì) 要有注入能量的泵浦源（光泵或者電泵浦） 要有一個(gè)F-P諧振腔 要滿足振蕩條件,9,1. 光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射,工作物質(zhì)和泵浦源是實(shí)現(xiàn)光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射的最基本條件。 自發(fā)發(fā)射：大量處于高能級(jí)的粒子，各自分別發(fā)射一列一列頻率為?=(E2 -E1) /h的光波，但各列光波之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系，可以有不同的偏振方向，沿所有可能的方向傳播。各光子彼此無(wú)關(guān)。 受激發(fā)射：處于高能級(jí)E2的粒子受到光子能量為?的光照射時(shí)，粒子會(huì)由于這種入射光的刺激而發(fā)射出與入射光一模一樣的光子，并躍遷到低能級(jí)E1上。有相同的偏振方向和傳播方向。,10,雙能級(jí)原子系統(tǒng)的三種躍遷,,,,受激發(fā)射的光子與原光子具有相同的波長(zhǎng)、相位和傳播方向,11,自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射的特點(diǎn),自發(fā)發(fā)射的同時(shí)總伴有受激發(fā)射發(fā)生。 在熱平衡情況下，自發(fā)發(fā)射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 當(dāng)外界給系統(tǒng)提供能量時(shí)，如采用光照（即光泵）或電流注入（即電泵），打破熱平衡狀態(tài)，大量粒子處于高能級(jí)，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，在發(fā)光束方向上的受激發(fā)射比自發(fā)發(fā)射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 總結(jié)激光發(fā)射的首要條件： 工作物質(zhì)（即能實(shí)現(xiàn)粒子躍遷的晶體材料，如GaAs和InGaAsP） 外界供給能量?滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（常采用電流注入法）,12,2. F-P諧振腔,只有增益介質(zhì)而無(wú)光學(xué) 反饋裝置，便不能形成激光 將已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 的系統(tǒng)置于嚴(yán)格平行的一對(duì) 反射鏡之間便形成F-P諧振腔。 光在兩個(gè)反射鏡之間往返多 次過(guò)程中，得到放大。,13,3. 振蕩條件,當(dāng)增益超過(guò)由部分反射和散射等多種因素引起的總損耗，經(jīng)過(guò)諧振腔的選頻作用，特定頻率的光波在諧振腔內(nèi)積累能量并通過(guò)反射鏡射出，形成激光（相干光）。 振幅條件 相位條件：,n-有源層折射率；L-腔長(zhǎng) m-任意整數(shù)；?-波長(zhǎng),滿足相位條件的頻率有無(wú)限多個(gè)，只有那些在譜線中心附近的頻率才能滿足振蕩條件，所以激光器的振蕩頻率只能取有限個(gè)分立值。,14,Modes produced in a Typical Fabry-Perot Laser,Spectral width and Linewidth at FWHM (Full Width Half Maximum),15,Output spectrum changes as power is applied,Typical mode hopping behavior,F-P LD在高速調(diào)制下，或在溫度和注入電流變化時(shí)，不再維持原激射模式，而會(huì)出現(xiàn)模式跳躍和譜線展寬，這對(duì)高速應(yīng)用很不利。為了維持單模，減小光譜展寬，需研究動(dòng)態(tài)單模激光器?DFB LD及DBR LD（光纖通信最有前途的實(shí)用化器件）,16,F－P LD的結(jié)構(gòu),很難將光導(dǎo)引到光纖,增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器：沿激光長(zhǎng)度方向放置一個(gè)窄的條形電極，將注入電流限制在一個(gè)窄條里。,,,缺點(diǎn)：光功率增大時(shí)，光斑尺寸不穩(wěn)定，模式穩(wěn)定性亦不高。,,折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器，引入折射率差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝不太復(fù)雜，輻射光空間分布穩(wěn)定性高，被大多數(shù)光波系統(tǒng)使用。,17,4.1.2 分布反饋激光器DFB LD,DFB LD同F(xiàn)-P LD的主要區(qū)別：DFB LD沒(méi)有集總的諧振腔反射鏡，它的反射機(jī)構(gòu)是由有源區(qū)波導(dǎo)上的Bragg光柵提供的。 分布式反饋 ?非常好的單色性和方向性,18,DFB LD基本工作原理,在有源區(qū)介質(zhì)表面上使用全息光刻法做成周期性的波紋形狀。 用泵浦（光泵浦或電泵浦）激發(fā)，造成足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，?具備增益條件 只有波長(zhǎng)滿足“Bragg反射條件”的光波才能在介質(zhì)中來(lái)回反射，得到不斷的加強(qiáng)和增長(zhǎng)。,DFB LD已成為中長(zhǎng)距離光纖通信應(yīng)用的主要激光器,19,4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD,DBR LD的周期性溝槽不在有源波導(dǎo)表面上，而是在有源層波導(dǎo)兩外側(cè)的無(wú)源波導(dǎo)層上，這兩個(gè)無(wú)源的光柵波導(dǎo)充當(dāng)Bragg反射鏡的作用。由于有源波導(dǎo)的增益特性和無(wú)源周期波導(dǎo)的Bragg發(fā)射，只有在Bragg頻率附近的光波才能滿足振蕩條件，從而發(fā)射出激光。,GaAs/AlGaAs DBR激光二極管,20,4.1.4 量子阱激光器QW LD,特點(diǎn)： 低閾值電流 高輸出功率 窄線寬 頻率啁啾改善 調(diào)制速率高,有源區(qū)厚度薄1~10nm（FP腔100~200nm） 周期結(jié)構(gòu)，將窄帶隙的很薄的有源區(qū)夾在寬帶隙的半導(dǎo)體材料之間，形成勢(shì)能阱 多個(gè)勢(shì)能阱--多量子阱（MQW），單個(gè)勢(shì)能阱--單量子阱（SQW）,21,4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL,Vertical Cavity Surface Emitting Laser 垂直于襯底方向出光的面發(fā)射激光器 優(yōu)點(diǎn)： 發(fā)光效率高(850nm的VCSEL，10mA驅(qū)動(dòng)1.5mW輸出光功率) 工作閾值極低（工作電流5~15mA，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)） 可單縱模也可多縱模工作（應(yīng)用于以多模光纖為傳輸媒介底 局域網(wǎng)中或VSR） 調(diào)制速率高 壽命長(zhǎng)（Honeywell進(jìn)行了可靠性實(shí)驗(yàn)） 價(jià)格低、產(chǎn)量高,22,可任意配置高密度二維激光陣列。,二維激光器陣列,23,第四章 激光器及光發(fā)射機(jī),4.1 半導(dǎo)體激光器 4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LD 4.1.2 分布反饋激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL 4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性 4.3 光發(fā)射機(jī),24,4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性,激光器件的絕對(duì)最大額定值： 光輸出功率（Po和Pf）：從一個(gè)未損傷器件可輻射出的最大連續(xù)光輸出功率。 Po是從器件端面輸出的光功率， Pf是從帶有尾纖器件輸出的光功率。 正向電流（IF）：可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大連續(xù)正向電流。 反向電壓（VR）：可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大方向電壓。,25,一、半導(dǎo)體激光器的P－I特性,典型的P－I曲線,P－I曲線：激光二極管的總發(fā)射光功率P與注入電流I的關(guān)系曲線。,隨注入電流增加，激光二極管首先是漸漸地增加自發(fā)發(fā)射，直至開(kāi)始發(fā)射受激發(fā)射。,,26,表示激光器件把注入的電子－空穴對(duì)（注入電荷）轉(zhuǎn)換成從器件發(fā)射的光子（輸出光）的效率。是一個(gè)以百分?jǐn)?shù)（％）度量的性能系數(shù)。 一個(gè)把100％注入電流轉(zhuǎn)換成輸出光的理想假設(shè)器件(即器件沒(méi)有以熱形式消耗)，在理論上應(yīng)具有100％的?e。 ?e可從P-I特性的斜率（閾值以上）dP/dI求得：,（對(duì)GaALAs材料）,2. 外微分量子效率?e：,27,內(nèi)量子效率?i是衡量激光二極管把電子－空穴對(duì)（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子能力的一個(gè)參數(shù)。 與?e不同的的是， ?i與激光二極管的幾何尺寸無(wú)關(guān)，是評(píng)價(jià)激光二極管半導(dǎo)體晶片質(zhì)量的主要參數(shù)。 ?i和?e既又關(guān)系又有差別。 ?i是激光二極管把電子－空穴對(duì)（注入電流）轉(zhuǎn)換成光子（光）效率的直接表示，但要注意，并非所有光子都出射成為輸出光，有些光子由于各種內(nèi)部損耗而被重新吸收。 ?e是激光二極管把電子－空穴對(duì)（注入電流）轉(zhuǎn)換成輸出光的效率象征。 ?e總是比?i小。,內(nèi)量子效率?i=,有源區(qū)內(nèi)每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù),有源區(qū)內(nèi)每秒鐘注入的電子-空穴對(duì)數(shù),,3. 內(nèi)量子效率?i：,28,T0--LD的特征溫度，與器件的材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。T0代表Ith對(duì)溫度的靈敏度，也可解釋為激光二極管的熱穩(wěn)定性。較高的T0意味著當(dāng)溫度快速增加時(shí)，激光二極管Ith增加不大。,對(duì)于GaAs/GaALAs LD T0=100~150K；InGaAsP/InP-LD T0=40~70K。,不同溫度下的P－I曲線,4. 溫度特性：溫度升高時(shí)性能下降，閾值電流隨溫度按指數(shù)增長(zhǎng)。,29,,LD的模式特性首先取決于光腔的三個(gè)線度（橫向、側(cè)向、縱向的尺寸）及介質(zhì)特性。通常腔內(nèi)能存在許多模式，但只有獲得凈增益（滿足閾值條件）的那些模式才能被激勵(lì)，它的頻率才會(huì)出現(xiàn)在輸出光中。在實(shí)際應(yīng)用中，模式的穩(wěn)定性和線寬是對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的兩個(gè)參量。 LD工作在基橫模時(shí)，相干性最好，因此要求LD在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上保證基橫模工作。根據(jù)基橫模的條件通過(guò)對(duì)光載流子的橫向以及垂直向限制、減小有源區(qū)寬度和厚度等措施可以實(shí)現(xiàn)LD的基橫模工作。 (詳見(jiàn)《激光原理》),二、半導(dǎo)體激光器的模式特性,30,1、激光器縱模的概念：,激光器的縱模反映激光器的光譜性質(zhì)。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流低于閾值時(shí)，發(fā)射光譜是導(dǎo)帶和價(jià)帶的自發(fā)發(fā)射譜，譜線較寬；只有當(dāng)激光器的注入電流大于閾值后，諧振腔里的增益才大于損耗，自發(fā)發(fā)射譜線中滿足駐波條件的光頻率才能在諧振腔里振蕩并建立起場(chǎng)強(qiáng)，這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能級(jí)間產(chǎn)生受激輻射，而其他頻率的光卻受到抑制，使激光器的輸出光譜呈現(xiàn)出以一個(gè)或幾個(gè)模式振蕩，這種振蕩稱(chēng)之為激光器的縱模。,31,I=67mA P=1.2mW,I=75mA P=2.5mW,I=100mA P=10mW,I=95mA P=6mW,I=80mA P=4mW,,,,,隨著電流增加，主模的增益增加，而邊模的增益減小，縱模數(shù)減少，一個(gè)模式開(kāi)始占優(yōu)勢(shì)，直到出現(xiàn)單個(gè)窄線寬的光譜為止。,2、縱模數(shù)隨注入電流而變：,32,在眾多的縱模中，只有那些頻率落在增益介質(zhì)的增益曲線范圍內(nèi)，且增益大于損耗的那些腔模才能在LD的輸出中存在。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3、譜線特性：,33,在縱向，光波以駐波形式振蕩。,諧振頻率（正入射）:,m--正整數(shù)；L--腔長(zhǎng)； n--材料折射。,相鄰縱模的頻率間隔:,增益曲線：,?0--增益譜中心波長(zhǎng)，由增益介質(zhì)的能級(jí)差決定；?--增益譜寬，由增益介質(zhì)內(nèi)原子熱運(yùn)動(dòng)（多普勒加寬）和原子碰撞（均勻加寬）造成；g(0)--正比于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的最大增益,34,4、峰值波長(zhǎng)隨溫度變化：,半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨結(jié)區(qū)溫度而變化。當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的禁區(qū)帶寬變窄，因而使激光器發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)移向長(zhǎng)波長(zhǎng)。,InGaAsP/InP激光器的發(fā)射波長(zhǎng)隨注入電流漂移的情況，此激光器沒(méi)加溫度控制，由于電流的熱效應(yīng)，使結(jié)溫度升高，從而使發(fā)射波長(zhǎng)漂移。,35,5、動(dòng)態(tài)譜線展寬：,動(dòng)態(tài)譜線展寬對(duì)高速光纖通信非常不利，各種動(dòng)態(tài)單模激光器已得到迅速發(fā)展?DFB LD及DBR LD。,對(duì)激光器進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制會(huì)使發(fā)射譜線增寬，振蕩模數(shù)增加。這是因?yàn)閷?duì)激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，注入電流不斷變化，使有源區(qū)里載流子濃度隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致折射率隨之變化，激光器的諧振頻率發(fā)生漂移，動(dòng)態(tài)譜線展寬。調(diào)制速率越高，調(diào)制電流越大，譜線展寬的越多。,激光器的發(fā)射光譜隨調(diào)制電流變化的情況,36,6、動(dòng)態(tài)單模半導(dǎo)體激光器：,實(shí)現(xiàn)LD單縱模工作的方法： 采用短腔結(jié)構(gòu)，增大相鄰縱模間隔,使增益譜線范圍內(nèi)只有一個(gè)譜線存在，短腔制造困難，LD輸出功率低。 采用波長(zhǎng)選擇反饋，使不同的縱模有不同的損耗，包括：分布反饋結(jié)構(gòu)和耦合腔結(jié)構(gòu)。 單縱模LD的性能通常由邊模抑制比（MSR）來(lái)表征，定義為MSR=Pmm/Psm Pmm為主模功率； Psm為最大邊模功率。 一個(gè)較好的單縱模LD， MSR應(yīng)大于30dB。,37,7. 影響發(fā)射波長(zhǎng)的因素：,對(duì)于DFB激光器，影響發(fā)射波長(zhǎng)的因素：管芯溫度；工作電流；光反射（利用隔離器減小） 比較而言，溫度變化是波長(zhǎng)漂移的主要因素。 管芯溫度與發(fā)射波長(zhǎng)的關(guān)系：溫度升高紅移,相比之下，折射率波導(dǎo)LD的熱穩(wěn)定性差得多，其,這種特性在泵浦激光器中是有用的，可以通過(guò)精確地控制溫度，把LD的發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到特定波長(zhǎng)上，以滿足應(yīng)用要求。,38,線寬是LD輸出光譜的另一個(gè)重要參量。窄的線寬有利于減小光纖的色散。LD輸出的有限線寬源于兩個(gè)因素： 一是激光腔內(nèi)自發(fā)輻射引起的光場(chǎng)相位脈動(dòng) 二是載流子濃度脈動(dòng)引起的折射率變化，使光腔諧振頻率發(fā)生變化。 簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)的光源線寬為：,X--自發(fā)發(fā)射事件的平均速率； P--光功率；?--線寬增強(qiáng)因子,8、線寬,降低線寬可采取以下措施： 增大光功率 減小自發(fā)發(fā)射速率 從外部穩(wěn)定載流子密度 FP-LD的線寬通常達(dá)幾nm DFB-LD線寬通常約5~10MHz MQW-LD線寬僅幾十~幾百KHz,39,三、半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì),半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、可以進(jìn)行直接調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，被視為光纖通信中的理想光源。但在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)，激光器往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性質(zhì)——光電瞬態(tài)響應(yīng)。,電光延遲 張弛振蕩 自脈動(dòng),40,張弛振蕩：當(dāng)電流脈沖注入激光器以后，輸出光脈沖表現(xiàn)出衰減式振蕩。是激光器內(nèi)部光電相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的固有特性。,自脈動(dòng)：某些激光器在某些注入電流下發(fā)生的一種持續(xù)振蕩。,張弛振蕩和自脈動(dòng)的結(jié)合。激光器激射以后，先出現(xiàn)一個(gè)張弛振蕩的過(guò)程，隨后則開(kāi)始持續(xù)自脈動(dòng)。,光電瞬態(tài)響應(yīng)波形：,41,1. 電光延遲,原因：激光輸出與注入電脈沖之間存在一個(gè)時(shí)間延遲，一般為納秒量級(jí)。 降低方法：預(yù)偏置在Ith附近。,上升時(shí)間：從額定功率的10％升到90％所需的時(shí)間,下降時(shí)間：從額定功率的90％降到10％所需的時(shí)間,42,當(dāng)注入電流從零快速增大到閾值以上時(shí)，經(jīng)電光延遲后產(chǎn)生激光輸出，并在脈沖頂部出現(xiàn)阻尼振蕩，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后達(dá)到平衡值。 采用預(yù)偏置在Ith附近的方法，可減小張弛振蕩,2. 張弛振蕩,43,不同于張弛振蕩，沒(méi)有阻尼，脈動(dòng)頻率范圍為0.2~4GHz,容易發(fā)生在閾值附近和P-I特性的扭曲區(qū)。 造成自脈動(dòng)的機(jī)理涉及量子噪聲效應(yīng)、有源區(qū)的缺陷及溫度感應(yīng)的變化等因素。 抑制這種現(xiàn)象主要靠控制材料的質(zhì)量，盡量減少有源區(qū)的缺陷。,3. 自脈動(dòng),44,4、碼型效應(yīng)： 由于瞬態(tài)性質(zhì)，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)碼型效應(yīng)。,碼型效應(yīng)起因：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電流脈沖過(guò)后，存儲(chǔ)在有源區(qū)的電荷以指數(shù)形式衰減，回到初始狀態(tài)有一個(gè)時(shí)間過(guò)程?sp，如果調(diào)制速率很高，脈沖間隔小于?sp ，會(huì)使第二個(gè)電流脈沖到來(lái)時(shí)，前一個(gè)電流脈沖注入的電荷并沒(méi)有完全復(fù)合消失，有源區(qū)的存儲(chǔ)電荷起到直流預(yù)偏置的作用，于是第二個(gè)光脈沖延遲時(shí)間減小，輸出光脈沖的幅度和寬度增加。 消除方法：增加直流偏置電流。,兩個(gè)連“1”的現(xiàn)象,45,起因：注入電流導(dǎo)致溫升，進(jìn)而引起閾值電流的變化，從而輸出光功率也發(fā)生變化。在電流脈沖持續(xù)階段，輸出光功率隨時(shí)間而減小；而當(dāng)電流脈沖過(guò)后，輸出光功率隨時(shí)間而增加。 消除方法：適當(dāng)增加偏置電流,5、結(jié)發(fā)熱效應(yīng)： 半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度很敏感的器件，不僅環(huán)境溫度的變化會(huì)使激光器的閾值電流以及輸出光功率發(fā)生變化，注入電流的熱效應(yīng)也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的變化——結(jié)發(fā)熱效應(yīng)。是激光器的另一種瞬態(tài)調(diào)制效應(yīng)。,46,激光二極管的啁啾(Chirp)特性：在直接調(diào)制激光二極管時(shí)，不僅輸出光功率隨調(diào)制電流發(fā)生變化，而且光的頻率也會(huì)發(fā)生波動(dòng)，即在幅度調(diào)制的同時(shí)還受到頻率調(diào)制。 帶有頻率啁啾的信號(hào)在單模光纖中傳播時(shí)，在色散作用下，將增大非線性失真。 隨著調(diào)制速率增加，啁啾現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。 解決辦法：采用外部調(diào)制器。,6、啁啾,47,LD的噪聲源主要有： （1）相位噪聲 （2）工作不穩(wěn)定引起的噪聲（如自脈動(dòng)） （3）光纖端面與LD之間互作用引起的噪聲 （4）模噪聲（單模LD+多模光纖系統(tǒng)）與模分配噪聲（多模LD+單模光纖系統(tǒng)） （2）~（4）可通過(guò)模式穩(wěn)定及光隔離器來(lái)減低或消除,四、半導(dǎo)體激光器的噪聲特性,由于LD諧振腔內(nèi)載流子和光子密度的量子起伏，造成輸出光波中存在著固有的量子噪聲，一般用相對(duì)噪聲強(qiáng)度RIN來(lái)度量，即光強(qiáng)度脈動(dòng)的均方根與平均光強(qiáng)度平方之比。,48,第四章 激光器及光發(fā)射機(jī),4.1 半導(dǎo)體激光器 4.1.1 法布里-珀羅型激光器F-P LD 4.1.2 分布反饋激光器DFB LD 4.1.3 分布Bragg反射型激光器DBR LD 4.1.4 量子阱激光器QW LD 4.1.5 垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL 4.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性 4.3 光發(fā)射機(jī),49,4.3.1 發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu),防止LD輸出的激光反射，實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸,保持LD組件內(nèi)恒定的溫度，保證激光參數(shù)的穩(wěn)定性,使LD有恒定的光輸出功率,50,4.3.2 光源的調(diào)制方式,調(diào)制方式： 直接調(diào)制 間接調(diào)制（外調(diào)制） 一、直接調(diào)制的特點(diǎn)： 將要傳送的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入LD或LED 調(diào)制后的光波振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)（強(qiáng)度調(diào)制） 簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)現(xiàn) 響應(yīng)帶寬有限（~2.5Gb/s） 引入調(diào)制啁啾,51,加大偏置電流使其逼近激光器閾值，可以大大減小電光延遲時(shí)間，同時(shí)使張馳振蕩得到一定程度的抑制. 偏置于閾值附近，較小的調(diào)制脈沖電流即可得到足夠的輸出光脈沖，從而可大大減小碼型效應(yīng)和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)的影響. 另一方面，加大直流偏置電流將會(huì)使光信號(hào)消光比(EX)惡化，光源消光比將直接影響接收機(jī)靈敏度. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)激光器的散粒噪聲在閾值處出現(xiàn)最大值，因此偏置電流不正好偏置在閾值處. 調(diào)制電流幅度Im的選擇，應(yīng)根據(jù)激光器的P-I曲線，既要有足夠的輸出光脈沖幅度，又要考慮到光源的負(fù)擔(dān)。如果激光器在某些區(qū)域有自脈動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，則Im的選擇應(yīng)避開(kāi)自脈動(dòng)發(fā)生的區(qū)域.,二、數(shù)字直接調(diào)制中偏置電流和調(diào)制電流大小的選擇,52,三、外調(diào)制,將調(diào)制信號(hào)控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應(yīng)使其輸出光的強(qiáng)度等參數(shù)隨信號(hào)而變。 調(diào)制信號(hào)啁啾小。 外調(diào)制器以LN電光調(diào)制和EA電致吸收為主。,53,1. 系統(tǒng)對(duì)光源的要求： (1)波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求 WDM系統(tǒng)對(duì)光源發(fā)射波長(zhǎng)的穩(wěn)定性具有較高的要求； 波長(zhǎng)的漂移將導(dǎo)致信道之間的串?dāng)_； 溫度變化是波長(zhǎng)漂移的主要因素。 (2)功率穩(wěn)定性要求 某信道功率的漂移，不僅影響本信道的傳輸性能，而且通過(guò)EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)影響其它信道的性能； 影響發(fā)射功率的因素： 管芯溫度：溫度增加－－功率下降 器件老化：功率下降,4.3.3 激光器控制電路,54,溫度控制和功率控制作用 就是消除溫度變化和器件老化影響,穩(wěn)定發(fā)射機(jī)性能，采取的穩(wěn)定方法有：溫度控制；自動(dòng)功率控制,光發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框圖,,,,,,,,窄線寬 DFB 激光器,EA(LN)調(diào)制器,,精密 溫度控制,恒定 電流控制,10Gb/s 電壓驅(qū)動(dòng)器,,NRZ碼,,,,55,,3. 溫度控制：,溫控電路通常由比例放大、PID（比例-積分-微分）電路、 電流放大組成 控制精度達(dá)到0.01C 波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)到?200MHz/24小時(shí),56,4. 自動(dòng)功率控制（APC）,由光檢測(cè)器來(lái)感應(yīng)激光器后端面輻射光功率的變化，并與參考功率相比較，然后根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)整直流偏置電流，最終使光功率峰值保持為一個(gè)穩(wěn)定值。,57,5.其它控制電路： 光源慢啟動(dòng)保護(hù)電路 激光器反向沖擊電流保護(hù)電路 激光器過(guò)流保護(hù)電路 激光器關(guān)斷電路,58,本章小結(jié)（一）,半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管是光通信中最常用的光源。 LED在應(yīng)用中具有線路簡(jiǎn)單、可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程，是一種非相干光源。由于發(fā)射光譜線寬、方向性差、響應(yīng)速度慢，所以只適用于速率較低的通信系統(tǒng)。 在高速大容量的光纖通信系統(tǒng)中主要采用半導(dǎo)體激光器作光源。LD是一種閾值器件，只有當(dāng)注入電流達(dá)到閾值電流后，激光器才開(kāi)始激射。激光激射必須滿足以下條件： 有源區(qū)里產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布； 在諧振腔里建立起穩(wěn)定的振蕩。,59,本章小結(jié)（二）,半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)性質(zhì)直接影響調(diào)制光信號(hào)的質(zhì)量： 直接調(diào)制時(shí)，激光輸出與注入電脈沖之間存在電光延遲； 激光器在瞬態(tài)過(guò)程中存在張弛振蕩； 由于電光延遲現(xiàn)象，在電脈沖過(guò)后，載流子有一定的存儲(chǔ)時(shí)間，導(dǎo)致高速數(shù)字調(diào)制時(shí)出現(xiàn)碼型效應(yīng)； 由于激光器對(duì)溫度很靈敏及注入電流的熱效應(yīng)，輸出光會(huì)出現(xiàn)結(jié)發(fā)熱效應(yīng)； 某些激光器在某些注入電流下還會(huì)出現(xiàn)自脈動(dòng)現(xiàn)象。 上述性質(zhì)是進(jìn)行直接調(diào)制時(shí)選擇激光器驅(qū)動(dòng)條件的依據(jù)。 但在高速光纖通信系統(tǒng)中，常采用外調(diào)制技術(shù)。由于是在激光形成之后施加調(diào)制，所以不會(huì)影響激光器的輸出譜線。,60,